組合式空調機組溫度控制模擬裝置的設計與制作

任曉敏

（西安航空職業技術學院 陜西 西安 710089）

目前大中型藥廠對制藥環境要求很高，藥廠室內溫度的高低和濕度的大小均會影響到藥品的質量，若采用組合式空調機組（簡稱空調機組）就完全可以實現藥廠室內的環境溫度要求。近年來可編程邏輯控制器（英文縮寫PLC）在工業自動控制方面應用越來越廣泛，由于具有功能豐富、編譯簡單、使用方便、維修故障簡單、可靠性高等特點，因此在組合式空調機組中使用PLC控制技術，藥廠室內環境溫度、濕度等方面均得到智能化的控制，有效地提高了工作的生產效率。

鑒于現在高職院校理工科學生在學習PLC課程時，對PLC的擴展模塊及PID等知識只了解基本概念，對原理不慎其解，更不會進行應用。本文是基于對PLC知識的應用，以簡易空調機組溫度控制系統為實例，結合學生的實際水平，設計與制作一套較為完善的空調機組溫度控制模擬裝置[1]，目的就是一方面有助于鞏固所學專業知識，拓展學生的思維，另一方面自行研制教學裝置有助于提升教師科研水平，同時為學院在購買設備上節約了一部分資金。

1 裝置介紹

1.1 裝置的控制原理

某藥廠依據“藥品GMP認證”的要求對室內環境溫度要求控制在18～26℃范圍內，因此管理制藥設備運行的人員可根據一年四季不同的室內氣溫，選用組合式空調機組可有效地將室內溫度控制在要求范圍內。組合式空調機組本身不帶冷、熱源，以冷、熱水或蒸汽為媒介，通過室外的制冷機組對冷（熱）進行制冷降溫（或加熱升溫），由各種空氣處理功能段組裝的一種空氣處理設備，分別由電加熱、除濕、加濕、送風機、回風機、噴水、冷卻、過濾等單元體組成。組合式空調機組可以通過PLC對加熱設備和制冷設備的控制，以達到合適的溫度，室內可選用雙金屬溫度計，可直觀的觀察到回風及出風溫度。

空調溫度控制模擬裝置是將結構復雜的空調機組進行簡化，只進行制冷控制?，F場模擬藥廠的車間環境，通過溫度傳感器檢測室內溫度，并將溫度信號轉化成數字量送人PLC中，PLC通過讀指令將這些測量值讀入，再通過比較指令與車間內所需溫度的設定值比較，得到偏差值，根據溫度偏差值調節空調機組中的制冷裝置，從而在給定溫度范圍內進行工作[2]。對于組合式空調機組中的回風閥、排風閥、加濕閥、風機、過濾裝置等控制在裝置中沒有涉及到，因此本文不做解釋說明[3]。

1.2 裝置的功能

該裝置采用兩臺電動機要求具有順序啟動、停止及保護的功能，將檢測到的溫度信號送給PLC，電動機可以實現順序啟動或順序停止，并通過計算機和PLC的軟件觀察模擬空調機組的運行情況；空調機組溫度控制系統模擬裝置通過獲得反饋信息，從而達到自控的作用；裝置還提供有源警報信號接口，可接指示燈直觀顯示警報紅燈，紅燈亮起以提醒設備運行管理人員。

1.3 裝置的特點

該裝置是一種利用PLC控制技術，選用網孔板和常用低壓電氣元器件搭建實物平臺仿真與模擬工業現場下的溫度控制的裝置。通過采用開放臺式結構，網孔板上可以安裝主機單元（PLC及擴展模塊）、電源模塊、溫度傳感器、部分低壓元器件以及線槽和導軌，根據控制系統的溫度要求，通過拼接積木的方式擺放固定元器件，使用導線連接安裝完成，然后通過調試好的程序驅動電動機以降低室溫。在符合控制要求的前提下，可根據自己的設計任意改變其結構，真實地模擬空調機組的工作，不僅使用方便靈活，而且安全可靠，有效地培養了學生的設計、安裝、分析等綜合能力。

2 硬件設計

該裝置溫度控制系統以PLC為核心，選用西門子CPU226CN和其擴展模塊EM231（4路12位模擬量輸入）、EM232（2路12位模擬量輸出）[4]；溫度控制系統采集的信號為模擬量，這里選用具有測量精度高、安裝方便等優點的熱敏電阻傳感器，它按溫度改變電阻值，再通過轉換電路將電阻變化量轉化為電壓變換量，根據電壓變化量反映空氣溫度變化，主要作用是將檢測的溫度信號轉換為PLC需要的數字量。經過多次測試和分析確定在裝置中選用上述元器件，不僅系統性能得到了極大地改善，而且滿足藥廠車間的室溫的要求。

2.1 控制系統方框圖

裝置的溫度控制系統以PLC為主機單元，通過相應的軟件完成數據采集、數據比較、數據運算，其輸出信號來控制電動機的運行狀態。根據系統控制要求，空調機組溫度控制系統設計的方框簡圖如圖1所示。由于采集到的輸入量溫度是模擬量，模擬量首先由溫度傳感器轉換為標準量程的電壓，PLC用A/D轉換器即擴展模塊EM231將它們轉換為數字量，用二進制補碼表示，D/A轉換器即擴展模塊EM232將PLC的數字輸出量轉換為模擬電壓[5]，再去控制執行機構。

2.2 系統的硬件電路

溫度控制系統的硬件電路主要由3部分組成，一部分由交流接觸器的主觸點和制冷閥電動機構成主電路，另一部分就是控制電路部分，包括交流接觸器的輔助觸點和線圈、按鈕等，第三部分是PLC的外部接線圖。

圖1 系統方框簡圖Fig.1 System block diagram

1）主電路

該裝置的溫度控制系統選用兩臺制冷閥電動機，分別由兩只交流接觸器控制，選擇空氣開關、熔斷器、熱繼電器進行安全保護。如圖2所示為系統的主電路。

圖2 系統主電路Fig.2 The main circuit of the system

2）PLC的外部接線圖

溫度控制系統的硬件電路起控制關鍵作用的就是PLC的外部接線圖，根據PLC的I/O分配表，外部接線圖如圖3所示。

圖3 PLC的外部接線圖Fig.3 The external wiring diagram of PLC

2.3 裝置的安裝

根據控制要求及電路原理圖，還需畫出系統的安裝位置圖。安裝位置圖在設計時必須符合安裝工藝要求，主要以PLC和交流接觸器為核心，除了熱電偶溫度傳感器、計算機和電動機接在網孔板以外，其他元器件可以根據實際需要進行靈活安裝固定。如圖4所示，左圖為空調機組模擬裝置的安裝位置圖，右圖為接好的實物圖。

圖4 空調機組模擬裝置的安裝位置圖Fig.4 Air conditioning unit installation location map simulation device

3 軟件設計

3.1 I/O分配表

根據裝置的溫度控制要求，列出控制系統的輸入信號與輸出信號的名稱、分配地址即I/O分配表如表1所示。溫度控制系統共有開關量輸入點3個、開關量輸出點5個、模擬量輸入點一個、模擬量輸出點一個。

表1 I/O分配表Tab.1 I/O allocation table

3.2 程序設計

軟件設計以西門子可編程邏輯控制器S7-200為平臺，程序設計包括主程序、子程序，其中溫度控制部分程序較為復雜，以下給出部分溫度控制程序作為參考[6]。需要注意在模擬量數據的處理時需要對模擬量輸入、輸出信號進行整定，在整定過程中要熟悉模擬量輸出模塊中的數字量與模擬量之間對應的線性關系[7]。

溫度值轉換

LD Always_On:SM0.0

MOVW 制冷反饋量平均值:AIW10，VW672

-I +6400，VW672

ITD VW672，VD676

DTR VD676，VD680

最終模擬量轉換值：

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD680，VD684

/R 25600.0，VD684

LD Always_On:SM0.0

MOVR 100.0，VD688

-R 0.0，VD688

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD684，VD692

*R VD688，VD692

反饋值處理程序結束：

LD Always_On:SM0.0

MOVR VD692，制冷反饋量:VD16

-R 0.3，制冷反饋量:VD16

制冷設定值，手動有效：

LD Always_On:SM0.0

AN 制冷模式:M1.7

CALL HMI_PV:SBR4，制冷設定值:VD36，VD1004

制冷PID控制：

LD Always_On:SM0.0

CALL ZL_PID:SBR0，回風溫度平均值:AIW0，溫度設定值:VD20，自動判定:M5.0，制冷設定值:VD36，制冷PID輸出值:VW72

輸出到制冷閥：

LD Always_On:SM0.0

MOVW 制冷PID輸出值:VW72，制冷調節閥:AQW10

4 裝置調試

在網孔板上將裝置安裝好后，對照電路圖檢查電路的接線是否有誤，當確保接線無誤后，然后下載程序，在線監控程序的運行，按下啟動按鈕SB2，觀察交流接觸器的動作順序和電動機的運行情況，檢查是否符合溫度控制要求。在保證空調機組溫度控制系統的模擬裝置正常運行的前提下，試驗結果證明模擬裝置還能夠對故障及時發現與處理，有效防止事故的發生，確保系統設備的安全。

5 結束語

本文分析了組合式空調機組的應用及PLC技術在教學上的要求，確定空調機組溫度模擬裝置的總體設計方案，經過硬件電路的設計、軟件編程、調試等環節，利用PLC控制技術及自帶的監控功能，調試結果表明該裝置不僅實現了空調機組的兩臺電動機之間的協調作用，而且溫度控制系統工作穩定可靠、使用經濟靈活[8]，能夠保證藥廠車間的環境溫度保持在恒定的范圍內，在教學上具有較強的示范作用。

[1]熊理，黃翔，強天偉.基于蒸發冷卻組合式空調機組個性化控制柜的設計[J].制冷與空調，2009，23（4）：71-74.XIONG Li，HUANG Xiang，QIANG Tian-wei.The design of personalized control cabinet of air handing unit based on evaporative cooling[J].Refrigeration and Air Conditioning，2009，23（4）：71-74.

[2]劉小文，黃翔，吳志湘.基于露點板式間接蒸發冷卻器空調機組特性的探討[J].制冷，2010，29（2）:27-28.LIU Xiao-wen，HUANG Xiang，WU Zhi-xiang.Performance discussion on an air conditioning unit based on dew point plate indirect euaporative cooler[J].Refrigeration，2010，29（2）:2728.

[3]趙淑珍.組合式空調機組控制系統設計[J].工業技術，2012，2（1）:41-43.ZHAO Shu-zhen.Design of control system of combined type air conditioning unit[J].Industrial Technology，2012，2（1）:41-43.

[4]廖常初.PLC編程及應用[M].北京：機械工業出版社，2007.

[5]陶權，韋瑞錄.PLC控制系統設計、安裝與調試[M].北京：北京理工大學出版社，2011.

[6]王芹，滕今朝.可編程控制器技術及應用[M].天津：天津大學出版社，2009.

[7]張偉林.電氣控制與PLC綜合應用技術[M].北京：人民郵電出版社，2009.

[8]陳潔，金秀慧，唐艷.組合式空調機組溫、濕度控制系統研究[J].山西電子技術，2007（3）:59-60.CHEN Jie，JIN Xiu-hui，TANG Yan.Study of temperature and humidity control system for air-conditioning units[J].Shanxi Electronic Technology，2007（3）:59-60.